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Eficiência energética em sistemas de refrigeração

Agosto, 2017

Eficiência Energética

Pode-se definir refrigeração como o processo de alcançar e manter uma temperatura inferior àquela do meio, cujo objetivo é resfriar algum corpo (sólido) ou fluido até uma dada temperatura

ou

o processo de mover calor de um local para outro utilizando um refrigerante em um ciclo fechado.

Refrigeração

Os sistemas de refrigeração podem ser classificados de acordo com a faixa de temperaturas em que operam:

� Sistemas de baixa temperatura: -40 °C ≤TE<-18 °C;

� Sistemas de média temperatura: -18 °C ≤TE≤0 °C;

� Sistemas de alta temperatura: TE>0 °C.

Aplicações

4

Aplicações

Uma das aplicações mais importantes da refrigeração é a preservação de alimentos perecíveis através da armazenagem refrigerada.

Aplicações

Aplicações

Aumento do tempo de prateleira dos produtosperecíveis:

1 frango;2 peixe;3 carne;4 banana;5 laranja;6 maçã;7 ovos;8 maçã†.

†armazenada em atmosfera controlada de dióxido de carbono.

Produto Temperatura de armazenamento, °C

Abacate 4 a 13

Alface 0 a 1

Banana 13 a 14

Frango -1 a 2

Maçã -1 a 0

Morango -0,5 a 0

Pêra -2 a 0

Queijo 0 a 1

Repolho 0

Tomate 3 a 4

Algumas temperaturas recomendadas de armazenamento, sem congelamento.

Aplicações

No processamento de alimentos, a refrigeração é utilizada para provocar mudanças das características ou da sua estrutura química.

Exemplos: queijo, cerveja e vinho.

Na cura do queijo, dependendo do tipo, utilizam-se temperaturas entre 10 °C e 20 °C, por períodos que variam de alguns dias até vários meses.

Na fabricação da cerveja, o açúcar é convertido em álcool e dióxido de carbono. É uma reação exotérmica onde a temperatura do produto deve ser mantida entre 7 e 13 °C para evitar a redução ou até mesmo a interrupção da transformação do açúcar. A refrigeração também é utilizada no processo de maturação da cerveja, que deve ser mantida em ambiente refrigerado por um período entre 15 dias até 3 meses.

Na produção do vinho, após a fermentação, ele é mantido em tonéis de aço inox de 6 meses a 2 anos, em temperaturas na ordem de 10 °C.

Aplicações: processamento de alimentos

Conforto: o uso extensivo da refrigeração para conforto térmico por meio de ar-condicionado. O termo ar-condicionado refere-se ao tratamento do ar, de forma que haja controle simultâneo da temperatura, umidade, limpeza, odor e circulação, conforme requerido pelos ocupantes, processo ou produtos no espaço.

Aplicações

O controle da qualidade do ar em sistemas de ar-condicionado é de extrema importância.

Aplicações

†ANVISA, Resolução RE nº 9, de 16 de janeiro de 2003. Padrões Referenciais de Qualidade do Ar Interior, em ambientes climatizados artificialmente de uso público e coletivo.

� Construção civil, onde se utilizam grandes volumes de concreto, o processo da cura do concreto é um processo exotérmico, com liberação de calor. Esse calor deve ser removido para evitar que temperaturas elevadas provoquem tensões térmicas, com a formação de fissuras ou trincas. O concreto pode ser resfriado antes da aplicação ou durante a cura.

� Outras aplicações: congela-mento do solo para aberturade poços ou túneis ou perfura-

ção de furos.

Aplicações

Outras aplicações da refrigeração são:

� Sistemas de refrigeração de grande porte normalmente estão presentes em industrias químicas, petroquímicas, de refino de petróleo e farmacêutica.

� As operações em que a refrigeração é normalmente aplicada são: separação e condensação de gases; separação de um produto químico de uma mistura através da solidificação; controle de pressão no interior de vasos de armazenamento mediante a redução da temperatura e remocado de calor em reações químicas.

� Liquefação de gases, etc.

Aplicações: indústrias químicas e petroquímicas

Na manufatura:

� Em instalações de ar comprimido, a temperatura do ar, após a compressão, é reduzida ao nível da temperatura ambiente, podendo ocorrer a condensação do vapor d’água nele contido. Para evitar este problema, é comum resfriar o ar após a descarga do compressor para condensar e remover a água.

� Em industrias de manufatura existem ainda compartimentos de testes que devem reproduzir condições extremas de temperatura e umidade sob as quais o produto deverá operar. Condições de baixa temperatura e umidade podem ser obtidas por meio da refrigeração.

Aplicações: manufatura

Na manufatura:

� No processo de usinagem e conformação de materiais e na fabricação de produtos metálicos ou de outros materiais, normalmente, é exigido o emprego da refrigeração, como:

� Controle de temperatura em injetoras;

� Controle de temperatura nas ferramentas de usinagem;

� Etc.

Aplicações: manufatura

O Ciclo de compressão mecânica do vapor: o início

Carnot, em 1824, publica a obra “Sobre a potência motriz do fogo e sobre as máquinas próprias para desenvolver esta potência”;

Em 1852, Lord Kelvin publica sua demonstração da ‘reversibilidade’, começando então a formulação de uma ciência da refrigeração;

O Ciclo Ideal de Carnot

T

S

1

23

4

Processos:

1-2: compressão adiabática e isentrópica;

2-3: rejeição isotérmica de calor;

3-4: expansão adiabática e isentrópica;

4-1: recebimento isotérmico de calor;

O Ciclo Ideal de Carnot

T

s

1

23

4

T2

T1

s3 = s4 s2 = s1

Efeito de refrigeração

Trabalho líquido

�

QC

�QE

12

1

4112

411TT

T

SSTT

SSTCOP −=

−−

−=

O Ciclo Ideal de Carnot

s

T

Como reproduzir o ciclo de Carnot

T

1

2

3

4 �

S

Um pouco mais real

O ciclo padrão

P

1

23

4

PC

PE

�

QC

� QE

hh3 = h4

s2 = s1

� Wm

h1h2

O ciclo padrão

condensador

evaporador

compressoralta

pressão

baixa

pressão

dispositivo de

expansão

Para sua operação, são necessários pelo menos 4 componentes:

Um sistema de refrigeração completo

Sub-resfriamento e super-aquecimento

A camada de ozônio

Rowland (esq.) e Molina (dir.) descobrem, em 1973, através de experimentos em laboratório, a influência do cloro na destruição da camada de ozônio.

Mais tarde, em 1995, esses dois mais Paul J. Crutzen, receberiam o prêmio Nobel de Química por suas obras relacionadas à destruição da camada de ozônio.

+O2 O O

Fóton ultra violeta (UV)

+

O O2 O3

O3

+

O O2

+

O O2O3

A camada de ozônio

CFCl3

CCl

F

+ C

CFCl2Cl

+

O3Cl O2

+

ClO

O

+

ClO Cl

+

O2

A camada de ozônio

A camada de ozônio

O Protocolo de Montreal

Data Redução da produção e consumo

CFC1 janeiro 1993 100% nível de 19861 janeiro 1994 25% nível de 19861 janeiro 1995 25% nível de 19861 janeiro 1996 0% nível de 1986

HCFC1 janeiro 1996 3,1% consumo CFC+HCFC

19861 janeiro 2004 65% da situação de 19961 janeiro 2010 35% da situação de 19961 janeiro 2015 10% da situação de 19961 janeiro 2020 0,5% da situação de 19961 janeiro 2030 0% da situação de 1996

+ Revisão de Copenhagen, 1992

Refrigerantes

Segurança

Classe A: compostos cuja toxicidade não foi identificada;Classe B: compostos com evidências identificadas de toxicidade.Classe 1: não se observa propagação da chama;Classe 2: baixa a média inflamabilidade;Classe 3: elevada inflamabilidade;Classe A2L e B2L: em implantação, associadas em função da velocidade da chama < 10 cm/2.

Segurança

Correlação entre velocidade da chama vs. mínima energia de ignição (MIE)

33

Qualidade dos refrigerantes

� Os refrigerantes devem apresentar elevada pureza, acima de 99,5%.� Qualquer tipo de contaminação poderá originar sérios riscos aos sistema e ao operador.

R-415b comercializado em embalagem de R-134a

34

Qualidade dos refrigerantes

35

Qualidade dos refrigerantes

36

Qualidade dos refrigerantes

37

Qualidade dos refrigerantes

38

Qualidade dos refrigerantes

39

Problemas futuros

40

� Baseado na 1ª. Lei da Termodinâmica, considerando o volume de controle:

Balanço de energia

41

� No evaporador: capacidade de refrigeração [kW]

Balanço de energia

P

1

23

4

PC

PE

�

QC

� QE

hh3 = h4

s2 = s1

� Wm

h1h2

42

� No condensador: calor dissipado no meio externo [kW]

Balanço de energia

P

1

23

4

PC

PE

�

QC

� QE

hh3 = h4

s2 = s1

� Wm

h1h2

43

� No compressor: potência de compressão [kW]

Balanço de energia

P

1

23

4

PC

PE

�

QC

� QE

hh3 = h4

s2 = s1

� Wm

h1h2

Potência real

44

� No dispositivo de expansão:

Balanço de energia

P

1

23

4

PC

PE

�

QC

� QE

hh3 = h4

s2 = s1

� Wm

h1h2

45

� Coeficiente de performance:

Balanço de energia

P

1

23

4

PC

PE

�

QC

� QE

hh3 = h4

s2 = s1

� Wm

h1h2

46

� Obtidas através de diagramas e tabelas pressão vs. entalpia

Propriedades termodinâmicas

47

Na refrigeração são utilizados praticamente todos os tipos de compressores:

AlternativosDeslocamento

positivo

Dinâmicos

Rotativos

Parafuso

Scroll

Pistão Rolante

Palhetas

Centrífugos

Compressores

48

(a) (b)

(c)

(d)

(e)

49

� Em aplicações industriais, os mais utilizados são os compressores alternativos e os rotativos, tipo parafuso.

Compressor alternativo:

Compressores

7:1

50

Compressor parafuso:

Compressores

51

A refrigeração é, geralmente, o maior consumidor de energia elétrica na área de produção de alimentos, podendo representar, no caso de grandes frigoríficos, mais de 60% do consumo total da planta.

O foco na identificação de processos de operação e novas tecnologias que possam aumentar a eficiência e reduzir custos é uma preocupação crescente dessas empresas, principalmente em função dos crescentes custos da energia elétrica.

O potencial de recuperação de energia térmica em sistemas industriais de refrigeração é um fato bastante conhecido.

A recuperação de calor, nesses sistemas ou em outros, oferece o potencial de reduzir tanto o consumo primário de energia na operação do próprio sistema bem como com o consumo de energia para atender demandas de energia térmica em outros processos.

Recuperação de calor

52

O que é recuperação de calor?

É a coleta e uso de energia térmica que normalmente seria rejeitada do sistema para o meio ambiente.

Aspectos importantes:

� Quantidade de calor requerido;� Taxa de calor requerido;� Qualidade do calor requerido;� Perfil do uso da energia térmica (consumo junto com a geração ou

necessidade de armazenamento térmico?).

Recuperação de calor

53

Teoricamente, qualquer quantidade de calor pode ser recuperada de um sistema de refrigeração industrial.

No entanto, a quantidade deve ser suficientemente grande para suplantar o investimento de capital em equipamentos bem como eventuais aumento do custo de manutenção ou de aumento da complexidade do uso.

A “qualidade” do calor é outro fator importante que pode limitar a recuperação de rejeito térmico.

Recuperação de calor

54

Aplicações potenciais:

� Aquecimento do piso de câmaras frigoríficas (evitar a formação de gelo);

� Pré-aquecimento de água para limpeza;� Aquecimento de água para outras finalidades da planta;� Pré-aquecimento de água de caldeira;� Aquecimento de espaços (para controle de temperatura ou para

controle de umidade).

Recuperação de calor

55

Desuperaquecimento do vapor na descarga do compressor (compressores alternativos):

Potenciais para recuperação de calor

56

Exemplo: compressor alternativo de 1 estágio operando entre uma temperatura de condensação de 35 °C e temperatura de vaporização de -20 °C. Temperatura de descarga de aproximadamente 130 °C. Refrigerante R-717 (amônia):

Potenciais para recuperação de calor

57

A maioria dos compressores parafuso usados atualmente usa a injeção de óleo na região de compressão para lubrificação, vedação entre os parafusos durante a compressão e para o resfriamento. A quantidade de óleo injetado pode ficar em torno de 38 a 75 L/min por cada 75 kW de potencia do compressor. Dessa forma, a maior parte do calor resultante do processo de compressão é transferido para o óleo, fazendo com que a temperatura de descarga do compressor seja bastante reduzida, mesmo em altas relações de compressão.

Potenciais para recuperação de calor

58

Entretanto, esse óleo é indesejável nas outras partes do processo,principalmente nos trocadores de calor, onde funciona comoumaincrustação, exigindo o uso de separadores de óleo. Um tipo de separadorde óleo muito utilizado é apresentado abaixo.

Separador de óleo em um compressor parafuso.

Potenciais para recuperação de calor

59

Utilizando abaixo como referencia, o óleo quente deixa o separador deóleo passando por um filtro, dirigindo-se até a bomba de óleo. O óleo éentão bombeado para um trocador de calor, onde o calor é rejeitado parauma corrente de água ou outro fluido secundário. O óleo frio passa porum filtro e retorna ao compressor enquanto a água ou outro fluidosecundário são resfriados. No caso da água, utiliza-se uma torre dearrefecimento.

Processo de resfriamento a água.

Potenciais para recuperação de calor

60

Potenciais para recuperação de calor

61

Tipicamente, um resfriador de óleo recebe óleo quente do compressor a uma temperatura muito próxima a da temperatura de descarga do compressor (71 a 85 °C), resfriando até uma temperatura de fornecimento de óleo para o mesmo compressor, a 54 °C.

Potenciais para recuperação de calor

Te, °°°°C Tc, °°°°C Td, °°°°C Wcomp, kW Qoleo, kW Desup, kW Vazão, L/min

-23 35 83 1475 323 51 152

-18 35 83 1892 310 65 145

-12 35 82 2399 286 79 134

-7 35 80 3003 252 92 118

-1 35 77 3721 208 102 98

62

Potenciais para redução do consumo de energia

Paredes de câmaras frigoríficas:

Em função da diferença de temperaturas entre o ar externo e o ar interno, há um fluxo de calor para o interior do espaço refrigerado que pode ser incrementado se a parede da câmara estiver exposta aos raios solares.

Nesse caso, o aumento da temperatura do lado externo da parede é dado pela tabela abaixo:

Orientação da parede Tipo de superfície Leste Norte Oeste Teto Escuras 5 3 5 11 Médias 4 3 4 9 Claras 3 2 3 5

63

Potenciais para redução do consumo de energia

Exemplo:

Uma câmara frigorífica possui uma parede (oeste) de 40 m de comprimento por 8 m de altura, de cor branca, com espessura de isolamento de 150 mm (poliestireno). A temperatura externa do ar (média das máximas de verão) é igual a 34 °C enquanto que a temperatura interna é igual a -15 °C. Considerando que a condutividade térmica do poliuretano é de 0,036 W/mK, qual é a carga térmica por infiltração de calor no espaço?

Use a equação de Fourier, em regime permanente e unidimensional:

64

Potenciais para redução do consumo de energia

Exemplo:

Se em lugar do poliestireno for utilizado o poliuretano expandido, com k=0,028 W/mK?

E se a espessura de isolamento for aumentada para 200 mm, com o PU?

65

Potenciais para redução do consumo de energia

Quando a porta de uma câmara frigorífica é aberta, a diferença entre as pressões parciais do ar (externo e interno) fazem com que exista um fluxo de ar quente em direção ao interior da câmara.

A energia do fluxo de ar quente deverá ser retirada pelo sistema de refrigeração, aumentando o consumo de energia do compressor.

O ganho de calor através de portas, em kW, devido às trocas de ar é dado pela Eq.:

Carga térmica por infiltração de ar

( )EDqDaQ ft −= 1&

onde q é a carga térmica sensível e latente para fluxo completamente estabelecido, em kW; Dt é a fração de tempo de abertura das portas; Df é fator de fluxo da porta e E é a efetividade do sistema de proteção da porta.A carga térmica sensível e latente, q, em kW, pode ser calculada por:

( ) ( ) m,

,

r

irri FgHiiA,q 50

50

12210

−−=

ρρρ

onde A é a área da porta, em m2; ii é a entalpia do ar de infiltração (ar externo), emkJ/kg; ir é a entalpia do ar refrigerado, em kJ/kg; ρi é a massa específica do ar deinfiltração, em kg/m3; ρr é a massa específica do ar refrigerado, em kg/m3; g é aaceleração da gravidade, em m/s2; H é a altura da porta e Fm o fator de densidade,dado por: 51

31

1

2

,

i

r

mF

+

=

ρρ

Carga térmica por infiltração de ar

Os valores de entalpia específica e volume específico podem ser obtidos na cartapsicrométrica para temperaturas de bulbo seco (TBS) internas maiores que -10 °C.Para temperaturas menores (Ti e Ti,k) que -10 °C, podem ser obtidas através dasequações: respectivamente.

51

31

1

2

,

i

r

mF

+

=

ρρ

01,Ti i +=

k,iT

353=ρ com Ti,k em Kelvin

Carga térmica por infiltração de ar

Dispositivo Efetividade ECortina de ar vertical 0,79Cortina de ar horizontal 0,76Cortina de tiras de plástico 0,93Cortina de ar + cortina de plástico 0,91

Efetividade dos dispositivos de proteção da porta:

69

Carga térmica por infiltração de ar

TBS, °C

Carta psicrométrica